爆震發動機究竟有多強？能讓飛機16馬赫飛行，航程增加一倍

它是21世紀的新概念發動機 僅憑着爆炸的震盪波就能讓飛機以16馬赫的速度飛行 有不少學者呢 更是將其稱爲21世紀最有潛力的空天動力項目 它就是爆震發動機 那麼這款發動機究竟有何能耐 讓人們對它如此青睞 它與傳統的發動機相比又有哪些優勢 咱們接着往下看 隨着德國的m1262戰鬥機的上天 人類飛機正式進入到噴氣式時代 從最早的窩噴發動機 再到窩扇發動機 再到衝壓發動機 超燃發動機 經過幾十年的發展 噴氣式發動機的技術也已經到了瓶頸了 如果人類想要更進一步 就需要另闢蹊徑 研發新式航空發動機 也正是在這樣的背景下呢 爆震發動機就出現了 早在1940年 蘇聯科學家亞科夫澤利多維奇 九次提出了可以利用爆震燃燒能量的可能性理論 而後德國人呢 隨後就對間歇性爆震的應用進行了早期研究 可以說這段時間呢 是脈衝爆震發動機的啓蒙期 蘇聯和美國對這種發動機的研究工作一直持續到了今天 可以說 脈衝爆震發動機自從提出設想以來呢 就一直稱得上是航天界的夢幻動力 爆震發動機是一種基於爆震燃燒的新概念發動機 它的原理和常見的火箭發動機或噴氣發動機不同 幾乎所有的噴氣式發動機在燃燒室裏的動作都是連續燃燒 穩定燃燒是常規噴氣式發動機穩定工作的一個關鍵 但爆震發動機不一樣 該型發動機的原理呢並不複雜 它的核心就是利用爆震現象作爲動力來源 而爆震現象呢 在汽車發動機中也比較常見 只不過在汽車領域 爆震會損壞汽車發動機 而在航天領域呢 爆震卻是求之不得 並且也正是因此 爆震燃燒的發動機 不再需要使用傳統的壓氣機和渦輪部件就達到對氣體進行壓縮的目的 使其結構簡化 成本大大降低 而且和常規的噴氣發動機的正常燃燒不同 爆震產生的脈衝波每秒能達到幾千公里的時速 而且因爲能量釋放的更加突然 快速 所以脈衝爆震發動機的推重比也比普通渦扇發動機要高出了1.5倍 並且兩者的燃燒效率也大不相同 其中爆震發動機是在爆震燃燒的過程當中有很高的燃燒速度和反應物轉換速率 可近似爲等容燃燒過程 這種燃燒過程的熱循環效率遠高於常規等壓燃燒的超聲速爆震燃燒的發動機 而常規的噴氣式發動機燃燒室使用的就是等壓燃燒過程 它會在燃燒壓力增大時排氣 形成自我調節的恆定壓力 壓力波傳遞是以音速傳遞 這樣雖然穩定 但是也代表了燃燒壓力無法達到最大 其效率多少會受到影響 而等容燃燒則不一樣 它會在一定的空間內混合燃燒 其爆轟波傳播速度高於音速 可以輕易達到1400米每秒以上 在形成高壓後向尾噴口擴散 完成一次排氣動作 並重新進入下一個循環 從熱力學角度來看 爆震發動機是最划算的燃燒消耗方式 其燃燒的利用效率比火箭發動機提高一倍 當然 除了爆震發動機之外呢 超燃衝壓發動機的內部燃燒過程其實也類似於等容燃燒 也很適合在高超音速下工作 不過呢 超燃衝壓發動機卻有着啓動限制 那就是需要由其他發動機將其加速到音速的四倍以上 反觀爆震發動機卻並不需要這樣 它的工作範圍十分廣泛 可以零速度啓動 並且單位燃燒消耗率低 雖然結構和衝壓發動機不一樣 但同樣簡單 其最簡單的類別呢甚至只有一根管子 不過爆震發動機的種類不一樣 各項應用前景差異也非常大 這就是爲什麼它會被當成21世紀的夢幻動力的原因 那麼這種夢幻動力又是如何工作的呢 這裏咱們先來了解一下爆震發動機的組成 它主要是由進氣道 爆震室 尾噴管 爆震激發器 閥門等組成 一個工作循環的包括了進氣 噴油 點火 燃燒以及排氣 按照這個循環的特點 具體的可以將其基本工作循環過程分爲以下幾個階段 溢爆燃料 氧化劑混合物填充爆震室 點火起爆 爆震波向敞口端傳播並排出爆震室 爆震室中充滿高溫高壓的燃氣 爆震波達到出口時 膨脹波反射進來 爆震產物從爆震室排出 大部分燃氣排出後從封閉端反射回來的膨脹波排出爆震室 膨脹波排出後 爆震室處於低壓狀態 衝入隔離氣體 吹除餘下的燃氣 接着重新補充可爆混合物開始新的循環 整個工作過程是間歇性的週期性進行 這就是說 爆震發動機並不是在穩定狀態工作的 當爆震頻率很高的時候 最大大於100赫茲時 它的工作過程纔會連續 可以提供連續推力以及推動飛行器前進 目前比較主流的爆震發動機有以下類型 他們分別是脈衝爆震發動機 旋轉爆震發動機 斜爆震發動機 其中 脈衝爆震發動機根據側重點的不同 也有不同的分類方式 按爆震管數目可以分爲單管 多管PDE 按燃料形式可以分爲氣象 液象燃料PDE 按氧化劑的來源可以分爲自吸氣式 火箭式PDE 當前呢 通常將其分爲純PDE 組合循環PDE和混合PDE三大類 其中呢 純PDE主要是由爆震室 進氣道 尾噴管組成 而混合PDE則是由PDE和窩噴或窩扇發動機相結合 循環組合PDE則是由PDE與衝壓發動機 超燃衝壓發動機 火箭發動機等動力裝置組合而成 在不同速度範圍內運行不同的工作循環 但是無論哪一種側重點的爆震發動機的結構都較爲簡單 尺寸小 適用範圍廣 成本低 可在零速度下使用 燃燒效率高 高速性能優越 據估計 脈衝爆震發動機的推重比可以達20 馬赫數範圍0-10 飛行高度範圍0-50千米 推力範圍0.5公斤到5萬公斤 也就是因爲結構簡單 所以使用同等體積燃料下 搭載脈衝爆震發動機的飛機航程比不搭載的多了一倍 這就爲其實現不加油 洲際飛行提供了可能 並且它也沒有容易損壞的旋轉部件 此外 它還可以採用現有燃料和用現有工藝生產 預計該款發動機的成本能比超音速渦輪發動機價格便宜75% 在價格低廉的同時呢 該款發動機還是唯一一種能以雙模式工作的發動機 它可以吸氣式和火箭式兩種模式工作 例如在m數0-3和更高的範圍內 以有效的吸氣式推進 然後以脈衝爆震火箭模式工作 因此纔有許多專家認爲啊 爆震發動機是未來軍用和航空航天運輸領域有前途的新概念發動機 也正是因其優良性能讓不少國家都投入了大量資金研究 美國國家航空航天局就曾經將PTE列爲革命性概念加以大力發展 美國國防預先研究計劃局 空軍 海軍也都制定了相應計劃 支持各自研究機構和公司開展PTE研究 早在2003年 普惠公司就與波音公司聯合研製了全尺寸的飛行進氣條件下的五管PTE驗證樣機 ITR2 該樣機呢 以2.5馬赫的速度和12192米的飛行高度完成了模擬飛行 實現了單管工作頻率80赫茲的穩定工作 產生推力約6700牛 最小單位燃料消耗率僅爲0.08KG 此外 普惠公司的研究還表明 採用碳氫燃料時 純PTE的最大飛行速度可以達到4馬赫 若採用氫燃料 飛行速度還能提高 到了2008年1月31號 由美國空軍研究實驗室研究的第一架由PTE驅動的載人飛機 在默哈維機場進行了首次試飛驗證 使用的是一臺四管PTE發動機 它以80赫茲的頻率運行 產生大約890牛頓的推力 不過這架飛機呢 是先用火箭推力升空 然後在30米高度開啓PTE並工作了10秒 儘管當時它還沒有到實用階段 但其意義還是比較重大的 證明了PTE作爲動力裝置的潛力 但是到目前爲止 雖然有多個國家已經結合實際應用需求 開展了大量實驗研究和樣機試製 甚至有一些呢 已經基本完成了原理性實驗 進入了演示驗證階段 並且取得了階段性成果 但其推力水平仍未達到預期 距離研製基於PTE的經濟實用飛行器還需要解決大量技術難題 除此之外呢 法國 加拿大 以色列 瑞典等國家也開展了PTE的相關研究 不過PTE也並非沒有缺點 它的結構需要多次點火和高頻率起爆 因此相較於PTE 另一種使用了環形燃燒式結構的旋轉抱振結構就很好地避免了這種問題 它的基本概念呢 是形成一個環形通道 燃料和氧化劑通常通過小孔或者狹縫注入通道 一次啓動後會形成一個或者多個抱振波 在燃燒式頭部旋轉傳播 燃燒產物從另一端高速排出產生推力 與PTE相比呢 理論上RDE只需要一次起爆就可以連續燃燒 避免了PTE內高頻率重複起爆的問題 並且RDE的工作頻率定義與PTE也有所不同 RDE的工作頻率一般呢表述爲振盪頻率 近似來看 是一秒內經過抱振式某一點處的波頭數量 而PTE工作頻率是抱振循環的頻率 因此RDE可以在火箭機和衝壓兩種模態下工作 畢竟呢 它比脈衝抱振要更穩定 其爆轟波呢同樣是超音速擴展 可以說既保持了PTE的優點 又避免了PTE的缺點 而該款發動機也是目前全球多國突破的方向之一 而最後的ODE也就是斜抱振發動機 它的結構呢與美國在2001年試飛的 X43A實驗機的燃燒式泡麪看起來十分相似 不過相較於X43A ODE的結構呢看起來更簡單 但是其穩定抱振技術難度更大 該型發動機主要是利用一道或者多道斜激波對氣流進行壓縮 讓激波後的流動混合作用把燃料和空氣混合均勻 到了下一道激波產生的高溫高壓 正好將其點燃 然後在燃燒式的一個極薄封面上發生抱振 抱轟波超音速傳遞擴散形成推力 相較於前兩款抱振發動機呢 斜抱振發動機的要求實在是太高了 不過如果能夠做到以上的要求 斜激波抱振在理論上是可以達到16馬赫以上的 這比超燃衝壓發動機的6-10馬赫還要高出不少 因此關於該型發動機的研究也一直沒有停下 但是迄今呢還沒有能長時間穩定運行的實驗案例 也沒有可靠性高的發動機樣機 由於抱振發動機具有獨特的優點 它在軍用和民用等方面的都有着廣闊的應用前景 成爲了21世紀新型動力裝置 小到無人駕駛飛機 靶機 引誘飛機 大到超音速隱身偵察機 以及空間作戰平臺的變軌 都可以利用抱振發動機來充當動力 那麼這時候也或許有人就想問了 既然這脈衝抱振發動機性能這麼強 爲什麼過了這麼多年 它還是沒有量產實用的 這裏呢就涉及到它的缺點和難點問題了 其中首當其衝的就是噪音問題 脈衝抱振發動機使用噪音太大 一旦開啓就彷彿有人在你耳邊打擊槍 裝在導彈上還行 畢竟是無人設備 但是如果應用在飛機上 怕是乘客會第一個不樂意 其次就是燃料問題 相比汽車燃料的單一 航空燃料有複雜的成本和配比 如果想正常使用爆燃技術 就必須要將航空燃油打成油霧狀 這就需要極其高超的製造工藝才能完成 而最最困難的技術問題呢 則在於無法控制爆炸 畢竟在惡劣的高溫高壓環境下 抱振發動機的燃燒和工作過程很難穩定 再加上目前還缺乏可靠的模擬計算方法 對其進行深入的研究和熱力循環分析 而且呢 暴震燃燒的頻率必須高於100赫茲 才能產生足夠大的比衝 其效率纔有可能是優於渦輪噴氣式發動機 但是想要在一個空腔裏面僅僅依靠自己的壓力膨脹過程 在一秒鐘之內 往復完成100多次穩定有效的進氣共遊高速噴注和混合起爆排氣 那是相當困難 經過數十年的測試和摸索 目前的美國有關的大學 公司和科研部門已經初步掌握了它的特點和規律 能對pte發動機的熱力循環 內外流暢等進行較爲準確的數值模擬 好了 本期視頻到這裏結束了 大家對於這款抱振發動機都有什麼看法呢 歡迎在下方的評論區留言 喜歡本頻道的朋友 請點擊下方的訂閱按鈕 我們下期再見